Исследование влияния условий измерения на величину погрешности измерения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование влияния условий измерения на величину погрешности измерения

1. условия выполнения измерений

измерение погрешность температурный

Конечной целью любого измерения является его результат - значение физической величины (ФВ), полученное путем ее измерения. Совместно с результатом измерений при необходимости приводят данные об условиях измерений.

В процессе измерения важную роль играют условия измерения - совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений (СИ). Влияющая величина - это физическая величина, не измеряемая данным СИ, но оказывающая влияние на его результаты. Это температура и влажность окружающей среды, давление и плотность, ускорение свободного падения и т.п.

Изменение условий измерения приводит к изменению состояния объекта измерения. Влияние условий измерения на СИ проявляется в изменении его метрологических характеристик.

Та часть погрешности измерения, которая возникает из-за изменения условий, называется дополнительной погрешностью.

Вопросам нормирования условий проведения измерений и контроля уделяется серьезное внимание. Внешние воздействующие факторы делятся на следующие классы:

климатические (температура, атмосферное давление, относительное давление, относительная влажность окружающей среды, ветер, туман, пыль, солнечное излучение);

электромагнитные (колебание напряжения, частота переменного электрического тока в сети, постоянные и переменные магнитные поля, электромагнитная совместимость и др.);

ионизирующие излучения естественного и искусственного происхождения, в которых выполняются измерения;

механические (колебания, удары, линейные ускорения, механическое давление, сила и т.п.);

термические (тепловой удар, аэродинамический нагрев и т.п.);

специальных сред (кислотно-щелочные среды, отравляющие вещества, топлива и т.п.).

В соответствии с установленными для конкретных ситуаций диапазонами значений влияющих величин различают нормальные, рабочие и предельные условия измерений.

Нормальные условия измерений (нормальные условия) - это условия измерения, характеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости.

Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативных документах на средства измерений конкретного типа или по их поверке (калибровке).

Однако при выполнении измерений бывает трудно и даже невозможно поддерживать установленные номинальные значения влияющих величин, поэтому для каждой их них определяют пределы возможных изменений. Эти пределы называют нормальной областью значений влияющей величины.

Нормальная область значений влияющей величины (нормальная область)- это область значений, в пределах которой изменением результата измерений под воздействием влияющей величины можно пренебречь в соответствии с установленными нормами точности.

Примеры.

1. Нормальная область значений температуры при поверке нормальных элементов класса точности 0,005 в термостате не должна изменяться более чем на 0,05 С от установленной температуры 20 С, т. е. быть в диапазоне от 19,95 до 20,05 С.

2. Нормальная область значений температуры при линейных измерениях в зависимости от уровня точности и диапазона размеров не должна изменяться более чем:

на ±0,1 °С от установленной температуры +20 °С для точных квалитетов;

на ±4 °С от установленной температуры +20 °С для грубых квалитетов;

для угловых измерений эта величина не должна превышать ±3,5 °С.

Таким образом, нормальная область значений влияющей величины - температуры - должна находится в следующих диапазонах: 19,9...20,1 °С; 16...24°С и 16,5...23,5 °С, соответственно. Аналогично устанавливаются нормальные области значений других влияющих величин.

Нормальное значение влияющей величины (нормальное значение) - это значение влияющей величины, установленное в качестве номинального.

Пример. При измерении многих величин нормируется нормальное значение температуры 10 С или 293 К, а в других случаях нормируется 296 К (23 С). На нормальное значение, к которому приводятся результаты многих измерений, выполненных в разных условиях, обычно рассчитана основная погрешность средств измерений.

Нормальные условия измерений задаются в нормативно-технической документации на СИ. В таблице 1 приведены номинальные значения ряда влияющих ФВ при нормальных условиях.

Рабочие условия измерений - это условия измерений, при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей.

Например: 1) для измерительного конденсатора нормируют дополнительную погрешность на отклонение температуры окружающего воздуха от нормальной; 2) для амперметра нормируют изменение показаний, вызванное отклонением частоты переменного тока от 50 Гц (50 Гц в данном случае принимают за нормальное значение частоты).

Таблица 1 - Номинальные значения влияющих физических величин при нормальных условиях

Влияющая величина	Значение
Температура окружающей среды для всех видов измерений	20 °С (293 °К)
Давление окружающего воздуха для линейных, угловых измерений, измерения массы, силы света и измерений в других областях, кроме указанных в п. 2	101,3 кПа (760 мм рт. ст.)
Относительная влажность воздуха для линейных, угловых измерений, измерений массы, измерений в спектроскопии	58%
Плотность воздуха	1,2 кг/ м3
Ускорение свободного падения	9,8 м/ с2
Частота питающей сети переменного тока, Гц	50±1%
Среднеквадратическое значение напряжения питающей сети переменного тока, В	220±10%
Относительная скорость движения внешней среды, м/с	0

Рабочая область значений влияющей величины (рабочая область) - это область значений влияющей величины, в пределах которой нормируют дополнительную погрешность или изменение показаний средства измерений.

Предельные условия измерений (предельные условия) - это условия измерений, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющих величин, которые средство измерений может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик.

При подготовке к измерениям необходимо определить рабочее пространство. Рабочее пространство - это часть пространства, окружающего средство измерений и объект измерений, в котором нормальная область значений влияющих величин находится в установленных пределах. Т.е. действием влияющих величин внутри рабочего пространства можно пренебречь. Если не установлено иное, нормальные условия измерений обеспечиваются во всем помещении.

2. Способы обеспечения нормальных условий измерений

Для обеспечения нормальных условий измерений устанавливается время совместной выдержки объектов измерения (контроля) и средств измерения в условиях, соответствующих требованиям, до начала измерений в течение 2...36 ч в зависимости от массы объекта измерения и требуемой точности измерения. Выдержка происходит в одинаковых условиях (например, на чугунной плите) с той целью, чтобы температура детали и измерительного средства в момент контроля была одинаковой.

В машиностроении при точных измерениях для обеспечения нормальных условий применяются специальные средства защиты от воздействия влияющих величин. Так, влияние температуры исключают путем термостатирования - обеспечения определенной температуры в рабочем пространстве. Термостатировать можно средства измерений, производственные помещения (цехи, лаборатории), камеры.

В целях устранения вибраций и сотрясений применяют амортизаторы - эластичные подвесы (струны, пружины и т.п.), губчатую резину и т.д.

Средством защиты от влияния магнитного поля Земли служат экраны из магнитомягких материалов.

Для уменьшения влияния на результат измерения атмосферного давления применяют барокамеры.

3. Температурный режим

Температурный режим - это условная, выраженная в градусах Цельсия, разность температур объекта измерения и измерительного средства, которая при определенных «идеальных» условиях вызовет ту же погрешность измерения, как и весь комплекс реально существующих причин. Эти условия сводятся к тому, что прибор и деталь имеют постоянную по объему температуру, а коэффициент линейного расширения материалов, из которых они изготовлены, равен 11,6·10 ^{- 6} мм/ °С.

Если указанные идеальные условия соблюдены, то температурный режим в n градусов означает, что допускается такая же разность температур измерительного средства и объекта измерения и соответствующая разность их деформаций по линии измерения. Если условия не соблюдены, то разность температур должна быть меньше на такую величину, которая компенсировала бы дополнительный источник погрешности.

Таким образом, температурный режим не должен пониматься как допускаемое отклонение температуры среды от 20 °С или колебание ее в процессе измерения.

Оценку предельного значения температурного режима можно произвести по формуле:

, (1)

где Дt₁ - отклонение температуры среды от 20 °С;

Дt₂ - кратковременные колебания температуры среды в процессе измерения, °С;

(б_СИ - б_Д)_max - максимально возможная разность значений коэффициентов линейного расширения материалов средства измерения и детали, мм/ °С;

б_max - максимальное значение коэффициента линейного расширения материала средства измерения или измеряемой детали, мм/ °С.

При пользовании измерительными средствами небольших размеров (например, микрометрами или рычажными скобами, закрепленными в стойках) в качестве кратковременных можно рассматривать колебания в течение 15 - 30 мин; приборами средних габаритов (например, вертикальным или горизонтальным оптиметром) - в течение 1 ч; крупными приборами (например, измерительными машинами) - в течение 6 ч.

3.1 Примеры расчета температурного режима

1. Вал из антифрикционного алюминиевого сплава ХА 750 имеет размер 60n6. Измерение вала данного размера должно производиться, среди прочих рекомендуемых средств измерений, индикаторной скобой, закрепленной в стойке, при температурном режиме 5 °С. Настройка индикаторной скобы на нуль производится по концевым мерам длины. Измерение предполагается производить в помещении, где поддерживается температура (20±2)°С с допускаемыми кратковременными колебаниями 0,5 °С в течение 30 мин, т.е. Дt₁=2 °С (температура при измерении может быть равна 22 °С), Дt₂=0,5 °С. Коэффициент линейного расширения материала детали б_Д=23,8·10 ^{- 6} мм/ °С (Приложение А). Так как марка стали, из которой сделаны концевые меры длины, неизвестна, то для б_СИ необходимо взять полный диапазон коэффициентов линейного расширения стали: б_СИ=(9,4 ч 14,5)·10 ^{- 6} мм/ °С. Тогда

(б_СИ - б_Д)_max=(9,4 - 23,8)·10 ^{- 6}=14,4·10 ^{- 6} (мм/ °С) и б_max=23,8·10 ^{- 6} мм/ °С.

Подставив найденные значения в формулу (1), получим:

°С.

Температурные условия измерения могут считаться удовлетворительными, т.к. значение температурного режима получилось меньше рекомендованного (5 °С).

2. Вал, упоминаемый в предыдущем примере, измеряется при температуре (30±3)°С. Температурный режим должен быть ограничен, так же как в предыдущем примере, в пределах 5 °С. Таким образом, Дt₁=13 °С (температура при измерении может быть равна 33 °С). Подставив найденные значения в формулу (1), получим:

°С.

Т.е. температурные условия неудовлетворительны. Для обеспечения удовлетворительного температурного режима необходимо предпринять корректирующие меры (например, настройку индикаторной скобы производить по установочной мере, изготовленной из того же материала, как и вал; меру и вал перед измерением выдержать совместно на плите в течение времени, достаточного для выравнивания температур в пределах 0,5 °С). При этом, (б_СИ - б_Д)_max=1·10 ^{- 6} мм/ °С.

Благодаря принятым мерам, значение температурного режима окажется равным:

°С.

Таким образом, значение температурного режима, благодаря принятым мерам, оказывается даже меньшим, чем в предыдущем примере, хотя температура помещения, в котором производились измерения, намного отличалась от нормальной температуры.

4. Исправленный результат измерений

Все числовые значения размеров, допусков, отклонений, нанесенные на чертежах деталей, указанные в таблицах стандартов, справедливы для деталей, размеры которых определены при нормальной температуре. Предел допускаемой погрешности измерения, гарантируемый изготовителем для конкретного средства измерения (СИ) называется гарантируемой погрешностью. Сохранение метрологических характеристик СИ гарантируется только для нормальных условий измерений.

Однако, реальное проведение измерений в нормальных условиях маловероятно.

Поэтому, если не удается создать нормальные условия, прибегают к исправлению результата измерений.

Исправленным результатом измерений называется полученное с помощью СИ значение величины и уточненное путем введения в него необходимых поправок на действие предполагаемых систематических погрешностей (например, при отклонении температуры помещения от нормальной).

Погрешность измерения ДL, вызванная нарушением температурного режима при измерении определяется (приблизительно) по формуле:

ДL = L•[б_Д •( T_Д - 20 °С) - б_СИ •(Т_СИ - 20 °С)], (2)

где L - измеряемый размер детали, мм;

б_Д - температурный коэффициент линейного расширения материала измеряемой детали, мм/ °С;

б_СИ - температурный коэффициент линейного расширения материала СИ, мм/ °С;

T_Д - температура детали, °С;

Т_СИ - температура СИ, °С;

20 °С - нормальная температура.

Результат измерения, приведенный к нормальной температуре +20 °С, определяется по формуле:

L20° = L•[1 + б_Д •( T_Д - 20 °С) - б_СИ •(Т_СИ - 20 °С)]. (3)

5. Оптиметры горизонтальный и вертикальный: устройство и принцип работы

Оптиметрами называют оптико-механические приборы для измерения линейных размеров методом сравнения с мерой. Оптиметр состоит из измерительной головки, называемой трубкой оптиметра, и вертикальной или горизонтальной стойки. В зависимости от вида стойки оптиметры подразделяют на вертикальные и горизонтальные.

Горизонтальный оптиметр (рисунок 1) служит для измерения как наружных, так и внутренних линейных размеров.

Для установки горизонтального оптиметра на ноль по блоку концевых мер длины необходимо закрепить пиноль 4 стопорным винтом 3. Поставить блок на стол 10 и поднять его, вращая маховичок 11. Подвести наконечники 5 к блоку концевых мер длины так, чтобы в окуляре 8 появилась шкала, закрепить винт 6. Наблюдая в окуляр 8 и вращая винт микроподачи 1, установить шкалу на ноль. Закрепить стопорный винт 2. Если при закреплении винтами нулевая отметка собьется, произвести установку заново. Затем, заменить блок концевых мер длины деталью.

Рисунок 1 - Горизонтальный оптиметр

1 - винт микрометрической подачи измерительного наконечника;

2, 3 - стопорные винты; 4 - пиноль; 5 - измерительные наконечники;

6 - стопорный винт; 7 - трубка; 8 - окуляр; 9 - горизонтальная стойка;

10 - стол; 11 - маховичок подъема стола; 12 - основание

Вертикальный оптиметр (рисунок 2) служит для измерения наружных линейных размеров.

Рисунок 2 - Общий вид вертикального оптиметра

Для установки вертикального оптиметра на ноль по блоку концевых мер необходимо поставить блок на стол 12. Вращая стопорное кольцо 5, опустить наконечник 11 до соприкосновения с блоком концевых мер. Наблюдая в окуляр 8, плавным вращением кольца 5 установить шкалу на ноль. Закрепить винт 4. Если при закреплении стопорными винтами нулевая отметка собьется, то произвести установку заново.

6. Последовательность выполнения работы

1) Изучить устройство оптиметра;

2) Установить оптиметр на нуль по блоку концевых мер длины, равному номинальному размеру детали;

3) Произвести измерения детали оптиметром в трех сечениях и в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рисунок 3). При оформлении отчета результаты записать в таблицу 2;

Рисунок 3 - Схема измерений

Таблица 2 - Результаты измерений

Направление измерений	Показание СИ при измерении в сечении	, мм	х, °С	ДL, мм	L20°, мм
	1	2	3
I
II

4) Получить у преподавателя вариант условий проведения измерений и по таблице 3 определить значения температуры помещения и кратковременных колебаний температуры; материал измеряемой детали и измерительного средства; рекомендуемый температурный режим;

5) Пользуясь данными таблицы приложения А, определить значения температурных коэффициентов линейного расширения (мм/ °С) материалов измеряемой детали и средства измерения;

6) Рассчитать действительный размер детали по формуле

,

где n - число единичных измерений (n = 6);

L_i - значение размера детали, полученное при i - ом измерении:

L_i = L+a_i ,

где L - номинальный размер детали;

a_i - показание СИ при i - ом измерении.

7) Рассчитать значение температурного режима по формуле (1).

8) Рассчитать погрешность измерения ДL по формуле (2).

9) Рассчитать результат измерения, приведенный к нормальной температуре + 20°С по формуле (3).

10) Заполнить таблицу 2.

Таблица 3 - Варианты условий проведения измерений

Вариант	Условия проведения измерений
	Температура помещения, °С	Кратковременные колебания температуры, °С	Температурный режим, °С	Материалы
				детали	СИ
1	18	0,7	2	алюминий	инвар
2	25	1,5	5	бронза	твердый сплав
3	26	0,5	3	вольфрам	Сталь углеродистая
4	27	0,5	3	инвар	Сталь легированная
5	23	0,8	3	латунь	Сталь нержавеющая
6	29	0,5	5	медь	титан
7	30	0,5	5	олово	инвар
8	31	0,5	7	железо	твердый сплав
9	17	1,5	5	магний	Сталь углеродистая
10	33	0,5	7	чугун	Сталь легированная

7. Содержание отчета

Лабораторная работа оформляется в соответствии с требованиями руководящего нормативного документа РД ГОУВПО «КнАГТУ» 013-2008 «Текстовые студенческие работы. Правила оформления».

Содержание отчета:

1) Цели работы;

2) Оборудование;

3) Условия измерений (по варианту):

· температура помещения;

· кратковременные колебания температуры;

· температурный режим;

· материалы измеряемой детали и измерительного средства;

· значения температурных коэффициентов линейного расширения материалов измеряемой детали и средства измерения;

4) Таблица 2;

5) Расчеты:

· действительного размера детали;

· температурного режима;

· погрешности измерения;

· результата измерения, приведенного к нормальной температуре + 20°С;

6) Выводы о влиянии нарушения температурного режима на погрешность измерения и результат измерения.

Библиографический список

1 Сергеев, А.Г. Метрология/ А.Г. Сергеев, В.В. Крохин. - М.: Логос, 2001 - 408 с.

2 Зайцев, С.А. Контрольно - измерительные приборы и инструменты/ С.А. Зайцев, Д.Д. Грибанов, А.Н. Толстов. - М.: Издательский центр «Академия»; ПрофОбрИздат, 2002. - 464 с.

3 Аристов, А.И. Метрология, стандартизация и сертификация/ А.И. Аристов, Л.И. Карпов, В.М. Приходько. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 384 с.

4 Димов, Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация/ Ю.В. Димов. - 2-е изд. - СПб.: Питер, 2006. - 432 с.

5 РД 50 - 98 - 86. Методические указания. Выбор универсальных средств измерений линейных размеров до 500 мм/ Государственный комитет СССР по стандартам. - М.: Изд-во стандартов, 1987. - 83 с.

Приложение

Средние значения температурных коэффициентов линейного расширения б, 1/ °С (для температур около 20°С)

Наименование материала	б•10 - 6	Наименование материала	б•10 - 6
Алюминий	23,8	Сталь углеродистая	14,0
Бронза	17,8	Сталь легированная	12,0
Вольфрам	3,3	Стекло обычное	8,5
Инвар	1,6	Твердый сплав	4,5
Латунь	18,0	Титан	8,0
Медь	16,9	Чугун	10,0
Цинк	40,0	Олово	23,0
Никель	13,0	Магний	25,0
Железо	12,0	Сталь нержавеющая	15,0

Размещено на Allbest.ru

...